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DSP应用技术论文
摘要
介绍DSP的发展和在对电机控制方面的优势和电动机在控制领域的应用。
着重说明了如何利用DSP来实现对直流电机,交流异步电机等的控制。
因DSP具有灵活的指令集;内在的操作灵活性;高速的运算能力;改进的并行结构;有效的成本,使得TMS320系列成为很多处理应用的理想选择"通过简单的介绍其控制电路的功能来详细说明了电动机专用DSP的应用。
通过对电动机专用DSP的应用的分析来引出直流电动机的DSP控制,在此章中详细的描述了直流电动机的控制原理和直流电动机的DSP控制方法,包括硬件和软件上的配置等。
描述了交流异步电动机的DSP控制。
首先介绍了交流异步感应电动机变频调速原理,通过其原理引出SPWM的控制技术，然后用DSP系统来实现SPWM波的生成,从而起到利用DSP来控制交流异步电动机的转速控制。
然后描述了永磁同步伺服电机控制。
通过介绍矢量控制的基本原理来研究基于DSP的永磁同步伺服电机的控制包括硬件和软件部分。
关键词:
电动机；控制原理；DSP控制
基于DSP的电机控制方法研究
1.前言
1.1课题背景
数字信号处理（DSP）是一门涉和许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
在通常的实时信号处理中,它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点,这都是模拟系统所不和的。
DSP
的发展大致分为三个阶段:
在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪50一60年代）,人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。
直到70年代,有人才提出了DSP的理论和算法基础。
一般认为,世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的52811"1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑"这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。
1980年,日本NEC公司推出的
mPD7720是第一个具有硬件乘法器的用DSP芯片,从而被认为是第一块单片DSP器件。
随着大规模集成电路技术的发展,1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32OIO和其系列产品,标志着实时数字信号处理领域的重大突破。
TI公司之后不久相继推出了第二代DSP芯片TMS32O20!
TMS32OC25/C26/C28第三代DSP芯片MS320C30/C31/C32。
90年代DSP发展最快,Tl公司相继推出第四代DSP芯片TMS320C40/C44第五代DSP芯片TMS320CSX/C54X!
第二代DSP芯片的改进型TMS320CZXX集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320CSX,以和目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67x等随着CMOS技术的进步与发展,日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片,1983年日本Fu8itsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns,且具有双内部总线,从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃"而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32"
与其他公司相比,Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。
1986年,该公司推出了定点处理器MC56001。
1990年,推出了与工EEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。
美国模拟器件公司（AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额,相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片ADSP2161/2162/2164以和ADSP2171/2181,浮点DSP芯片有ADSP2100O/21020ADSP21O60/21062等,自1980年以来,DSP芯片得到了突飞猛进的发展,DSP芯片的应用越来越广泛,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。
从运算速度来看MAC（一次乘法和一次加法）时IbJ已经从20世纪80年代初的40OnS（如TMS320lO）降低到IOns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等）,处理能力提高了几十倍。
DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区（diearea）的40%左右下降到506以下,片内RAM数量增加一个数量级以上。
DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加,意味着结构灵活性的增加,如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。
1.2研究意义
目前,工业用电的三分之二为电机所消耗,而在居民用电中这一比例亦高达四分之一,有鉴于此,电机的效率问题继续受到更大的关注"标准的电机应用完全能以更高的能量效率运行,就电能到机械能的转换而言,大多数电机的效率较低。
这意味着它们浪费了大量的能量,以发热的形式散失掉,而未能变换为有用的机械能。
此外,既然一个未受控制的电机必须克服瞬态机械负载的影响,设计者除了加大电机尺寸外很难做出其它的选择,而一个尺寸过大的AC感应电机（最常用的电机类型）,其效率必然更低,因为电机是在小于其设计负载的条件下工作。
提高电机的效率这些问题可以通过智能控制来克服,智能控制可以从两个方面大大提高电机的效率。
首先,智能控制采用了先进的算法来提高电机的运行性能。
最常见的方法是对AC感应电机的运行进行矢量控制,可以让电机采用合理的尺寸,以实现最优的效率。
此外,速度可调也使系统能以更高的效率运行。
例如,一个矢量控制的可调速驱动可避免使用传动,从而减少系统机械部件带来的能量损耗。
其次,由于系统采用智能控制,就有可能将现有的电机更换为效率更高的电机。
在电器中逐步采用永磁电机就是这一发展趋势的体现[2]永磁同步电机从本质上来说比AC感应电机的效率更高,因为它们没有后者与感应转子电流相关的传导损耗,它们还具有更优良的机械特性,如力矩纹波更低、运行更加安静,而且在产生同样的机械功率输出时,它们的体积更小"开关磁阻电机在一个固定或者中度变速的应用中也可以表现出极高的效率,而这些应用需要DSP控制器刁-具备精确!
复杂控制能力。
所有这些解决方案都有一个共同点:
它们利用了密集的数值计算来提高系统的性能。
矢量控制算法需要先对转子磁通量的方位进行测量或者预测,然后对一个多相绕组产生的定子通量位置进行优化,在给定的通量结构下产生最大的力矩。
对于一台永磁电机而言,定子通量需要隔开90度（电角度）,这是产生力矩的最佳方式。
因为所产生的力矩直接与两个通量间夹角的正弦成正比（在AC感应电机中,由于通量磁化分量的缘故,通量间的关系更为复杂,但基本原理是相同的）单片式DSP控制器解决方案,包括易用的软件,使得制造商能以最小的开发投资实现智能控制功能的嵌入。
因此,设备制造商和最终用户可采用合适尺寸的电机,成本更低、功耗更小、可靠性更高。
高性能可编程DSP控制器所实现的智能控制技术,将为电机系统的设计者提供开发新一代环境友好“绿色”电机所需的方法。
2.DSP系统在电机控制领域的应用
2.1TMS320F2812介绍
本课题中主控制电路是以TI公司的犯位定点DSP芯片TMS320F2812为核心。
TMS32OF2812是由美国Tl（TexaSInstrumentS）公司生产的TMS32O系列中的一个型号,
是目前控制领域最先进的处理器之一。
[3][4][5]TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计,该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身,为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。
下列特性使得TMS320系列成为很多处理应用的理想选择:
丰富的外设接口包括一个SPI串行外设接口、两个SCI串行通信接口、一个以RT标准通用异步收发接口、一个CAN总线接口、一个MCBSP多通道缓冲串行接口。
由于该系列处理器集成了很多内核可以访问和控制的外设,C28x内核需要通过某种方式来读/写外设。
为此,处理器将所有的外设都映射到了数据存储器空间。
每个外设被分配一段相应的地址空间,主要包括配置寄存器!
输入寄存器、输出寄存器和状态寄存器。
每个外设只要通过简单的访问存储器中的寄存器就可以使用该设备。
外设通过外设总线（PBUS）连接到CPU的内部存储器接口上,其结构如图2-1所示。
所有的外设包括看门狗和CPU时钟在内在使用之前必须配置相应的控制寄存器。
2.2拉制电路的功能
控制电路是电机控制系统正常运行并实现各种功能的指挥中心,它主要完成以下功能:
（l）输出电机控制的PWM调制信号!
正反转信号以和制动控制信号。
为驱动电路（无论配置为H桥或三相全控桥）的各个开关管提供斩波信号和选通信号,实现对电机的速度、力矩、正反转等控制。
（2）产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化,实现电机开环调速控制。
（3）采集各种传感器以和反馈信号,对电动机进行速度闭环调节和电流环调节,使系统具有良好的动态和静态性能,使之满足系统控制的要求。
（4）实现短路、过流和过压、欠压等故障保护功能。
（5）通过SCI与上位机进行通信。
控制电路板以TMS320F2812为核心,包括DSP的振荡电路、供电复位电路、存储器电路等。
时钟模块为器件和各种外设提供时钟信号。
F281x处理器片上有基于PLL的时钟模块。
锁相环主要用来控制DSP内核的工作频率,外部提供一个参考时钟输入,经过锁相环倍频或分频之后提供给DSP内核,它有4位倍频设置位,可以为外设提供各种速度的时钟信号。
时钟模块提供两种操作模式:
一是使用内部振荡器,此时必须在X1与X2两个管脚间接石英晶振;二是使用外部时钟源,此时可以将输入的时钟信号直接接到X1引脚上,将X2脚悬空,在这种情况下,不使用内部振荡源.该模块框图如图2-2所示
2.3电机专用DSP的应用
为了构成感应电动机或永磁电动机控制器,除了微处理器,还需要专用门陈列组合,以和相应的存储器和外围芯片,这就使得芯片数量增加,软件复杂,价格提高。
针对这一问题,美国AD和TI公司相继研制成功以DSP为内核的集成电机控制芯片）TI公司的TMS32OC24x系列,AD公司的ADMC系列。
这些控制器不但具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点,而且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。
如TMS32OF240DSP不但有32位累加器,SKflashROM,512个字节的RAM,3个定时器,16位外部数据总线,是强大的数字处理器,还有12路PWM输出引脚,两个10位ADC转换器,可编程死区控制单元,可编程空间PWM控制方式等电机控制独特资源。
图2-3所示是以TMS32OF24O为核心的数字交流伺服框图。
系统用软件完成控制调节,输出PWM信号驱动IPM智能模块,控制电动机电压、电流。
电流反馈信号经隔离放大送给DSP内ADC,构成电流环。
用DSP的QER电路检测电机转速,完成速度闭环。
可见,采用电机专用DSP为核心的全数字电机控制系统,系统硬件得到极大的简化,提高了系统的可靠性,减小了体积,降低了成本"在世界几大DSP生产厂家中,AD公司致力于数字马达控制。
该公司相信,DSP将大量应用于洗衣机、洗碗机等家电产品,这些机器都要使用电机,未来的法律将促使进一步改进电机的效率,为DSP提供商机。
他
们研制的电机控制用DSP采用了一些新技术,性能更突出:
DSP内核体系结构为并行结构,加快程序执行;PWM发生单元的灵活性和可编程性,满足不同方式的数字PWM方案;内部程序存储器固化电机系统矢量控制所必须的子程序,减少程序计算时间。
顺应工业驱动设备对无刷直流电机应用的需求,AD公司又向市场推出了一个新型高性能器件,28引脚、低成本嵌入式ADMC328DSP电机控制器"该芯片为压缩机、洗衣机、风扇、泵机和高压交流驱动中的无传感器控制直流无刷电机提供了一个理想性价比方案利用Kalman模拟器在非线性测量的基础上进行位置和速度模拟,此方案的功能框图如图2-4所示。
在该方案中,电动机的端电压由对应的电阻分压网络测量。
这3个模拟信号将施加在ADMC328的3个多路模拟输入端上,由DSP控制器的内部ADC系统转换后,利用Kalman算法重组反电势信号,进行位置和速度模拟,实现无传感器控制,然后产生AH、AL、BH、BL、CH、CL六路PWM信号输出"控制算法所需的DC连接电压和速度指令由附加的ADC输入V1、V2读取,母线电流由工SNSE检测。
如果采用8位和16位微处量器实时执行上述扩展的Kalman滤波器算法是不可能的,在ADMc328上仅需少于13ps时间。
从这些应用实例可见,在电机控制系统中采用电机专用DSP,强大的处理能力不但可以使面向电机控制的控制算法,如矢量控制、直接转矩控制数字化实现,而且也有条件完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法,如自适应控制、神经网络等。
同时增加面向电机控制的外设,使硬件结构和控制得到简化。
3.直流电动机的DSP控制
3.1直流电动机的拉制原理
根据图3他励直流电动机的等效电路,可以得出直流电动机的数学模型。
电压平衡方程如下:
其中感应电动势为:
中
从以上两式可得电动机的转速
的表达式：
直流电动机的电磁转矩为:
转矩平衡方程式:
由上式可得,直流电动机的转速控制方法可分为两类:
对励磁磁通中进行控制的励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时,通过调整励磁电流来改变励磁瓷通,从而实现调速的。
这种调速法的调速范围小,在低速时受磁极饱和的限制,在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制,并且励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以这种控制方式用的很少。
电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下,通过调整电枢电压来实现调速的。
在调速时保持电枢电流不变,即保持电动机的输出转矩不变,可以得到具体的恒转矩特性的大的调速范围,因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
励磁控制法和对电枢电压Ua进行控制的电枢电压控制法。
励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时,通过调整励磁电流来改变励磁瓷通,从而实现调速的。
这种调速法的调速范围小,在低速时受磁极饱和的限制,在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制,并且励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以这种控制方式用的很少。
电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下,通过调整电枢电压来实现调速的。
在调速时保持电枢电流不变,即保持电动机的输出转矩不变,可以得到具体的恒转矩特性的大的调速范围,因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
对电动机的驱动离不开半导体功率器件。
在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中,对半导体器件的使用上可分为两种方式:
线性放大驱动方式和开关驱动方式。
线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。
这种方式的优点是:
控制原理简单、输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小。
但是功率器件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量,效率和散热问题严重,因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制（PWM）来控制电动机电枢电压,实现调速。
图3-2是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。
在PWM调速时,占空比Q是一个重要参数"以下三种方法都可以改变占空比的值:
定宽调频法:
这种方法是保持t1不变,只改变t2,这样使周期T也随之改变。
调宽调频法:
这种方法是保持论不变,只改变tl,这样使周期T也随之改变。
定频调宽法:
这种方法是保持周期T不变,而同时改变t1和t2。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期,当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起震荡,因此这两种方法用的很少。
目前在直流电机的控制中主要是使用定频率调宽法。
TMS320LF2407A电动机专用DSP集成了PWM控制信号发生器,它可以通过调整事件管理器的定时器控制寄春存器来设定PWM工作方式和频率,通过调整比较值来调整PWM的占空比,通过调整死区控制寄存器来设定死区时间,通过专用的PWM输出口输出占空比可调的带有死区PWM控制信号,从而省去了其他控制器所用的外围PWM波发生电路和时间延时电路。
电动机专用DSP的高速运算功能可以实现直流电动机的实时控制,通过软件实现名副其实的全数字控制。
从而省去了外围的PID调节电路和比较电路。
3.2直流电动机的DSP控制方法和编程例子
3.2.1系统硬件设计
控制部分
控制部分的核心器件是TMS32OF2812,制作时使用了一块工CETEK一2812一B板（带2812的DSP开发板）,除带DSP外,还有一颗电源管理芯片,将外接别转为3.3V为系统供电。
2812从电机处采集转速、电流反馈信号和位置反馈信号,DSP综合这三个信号输出对外的控制信号。
从驱动部分反馈的过流信号是一个0、1信号,DSP在工作时始终监视这一信号,一但监视到1,即表示电机过载,则立即给出一个让电机停止转动的信号,以免损坏电机和调速器。
DSP输出的转速控制信号是一个数字量,用D/A将此数字,量转换成电压量给MC33035用以调速。
系统中选用了12位的串行D/A（TLV5616）,后加一级放大（LM358）,使输出电压可根据不同电机的要求进行放大。
MS320F2812与PC间的通信是通过485总线完成的。
在工业控制中,485总线应用非常普遍,传输距离远而且性能稳定,所以本系统选择485总线进行传输。
驱动部分
驱动部分的控制核心是MC33035,驱动器是IRZ183和IRGP50B6OPDI。
MC33035作为驱动部分的控制核心,根据电机霍尔反馈的位置信号,分辨出电机转子的位置,以控制工GBT的开关。
虽然IGBT具有优越的通态特性,但要将IGBT瞬间完全关断仍不容易。
调试时发现,
GBT关断时的一点点毛刺,就会导致电机发热甚至烧坏"这就要求在电路设计上采取相应的措施,如在IR2183输出端与工GBT连接的地方串接一电阻等"在PCB布板走线时更要严格注意,布局要对称。
电机转速的调节是MC33035的n脚（误差信号放大器同向输入端）接受控制部分给出的控制电压,根据此电压的不同,内部产生脉宽调制（PWM）信号,控制3个下侧驱动输出,通过改变输出脉冲宽度来改变工GBT导通时间的长短,从而调节电机的转速。
显示部分
显示部分的主控元件是AT89C51,显示部分与驱动部分之间通过AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）传递指令。
同时显示部分所需的5v电源由控制部分提供。
这里转速的采集是用AT89C51的计数端去采集霍尔输出的脉冲信号,将此信号换算成频率后送七段数码管显示,在此AT89C51担当了一个频率计的功能。
系统让用户通过键盘输入转速,而不是通过电位器调节。
因为电位器输出的是一个模拟量,通过2812内部集成的A心来采集这个电压量时并不稳定,会略微地漂移,这种略微的漂移会导致转速较大的波动。
为了避免这种波动,本系统使用了全数量的键盘,AT89csl从键盘读入数字量,然后将此量通过通信口传给2812,以实现全数字无级调速控制。
3.2.2系统软件设计
系统软件设计思想是通过不断采集电机转速,与给出的速度指令相比较后,利用PID算法,同时综合滤波算法,不断修正速度误差,直到采集到的电机转速与系统给定的转速相同,程序就认为系统已经入锁了。
系统控制时始终监视电机电流和位置反馈,一旦出现异常,就启动相应的报警机制,并让电机停止转动程序软件框图如图3-3所示：
3.2.3数字PI调节器的DSP实现方法
任何电动机的调速系统都转速为给定量,并使电动机的转速跟随给定值进行控制。
为了使系统具有良好的调速性能,通常要构建一个闭环系统。
一般来说,电动机的闭环调速系统可以是单闭环系统也可以是双闭环系统"因此需要速度调节器和电流调节器。
速度调节器的作用是对给定速度与反馈速度之差按一定规律进行计算。
并通过运算结果对电动机进行调速控制。
由于电动机轴的转动惯量和负载轴的转动惯量的存在,使速度时间常数较大,系统响应较慢。
电流调节器的作用有两个:
一个是在启动和大范围加减数时起到电流调节和限幅作用,因为此时速度调节器呈饱和状态,其输出信号一般作为极限给定值加到电流调节器上,电流调节器的作用结果是使绕组电流迅速达到并稳定在其最大值上,从而实现快速加减速和电流限流作用。
电流调节器的另一个作用是系统的抗电源扰动和负载扰动能力增强。
如果没有电流环,扰动会使绕组电流随之波动,使电动机的速度受影响。
虽然速度环可以最终使速度稳定,但需要的时间较长。
如果有电流环,由于电的时间常数较小,电流调节器会使受扰动的电流很快稳定下来,不至于发展到对速度产生大的影响。
因此使系统的快速性得到改善。
在电动机的闭环控制中,速度调节器和电流调节器一般采用PI调节器,即比例积分调节器。
常规的模拟PI控制系统原理图3-4。
该系统由模拟PI调节器和被控对象组成。
图中,r（t）是给定值,y（t）是系统的实际输出值,给定值与实际输出值构成控制偏差e（t）。
e（t）=r（t）一y（t）
e（t）作为P1调节器的输入,u（t）作为PI调节器的输出和被控对象的输入。
所以模拟PI控制器的控制规律为:
比例调节器的作用是对偏差瞬间做出快速反应。
偏差一旦产生,控制器立即产生控用,使控制量向减少偏差的方向变化"控制作用的强弱取决于比例系数,比例系数越大,控制越强,但过大会导致系统振荡,破坏系统的稳定性。
积分调节的作用是消除静态误差"但它也会降低系统的响应速度,增加系统的超调月呈。
采用DSP对电动机进行控制时,使用的是数字PI调节器,而不是模拟PI调节器,就是说用程序取代P工模拟电路,用软件取代硬件。
一采样序号,k=0,1,2,二.;
一第k次采样时刻的输出值;
一第k次采样时刻输入的偏差值;
一积分系数,Kl=KP/Tl;
一开始进行PI控制时的原始初值。
以上程序代码只用10条指令"如果用40M工PS,只需25OnS时间,足可以用于实际控制。
实际中控制器的输出量还要受一些物理量的极限限制,如电源额定电压、额定电流、占空比最大和最小值等,因此对输出量还需要检验是否积分极限范围。
引入积分环节的目的主要是为了消除静态误差,提高控制精度"当在电动机的启动、停车或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出很大的偏差,这会使PI运算的积分积累很大,引起输出的控制量增大,这一控制量很容易超出执行机构的极限控制量,从而引起强烈的积分饱和效应"这将会造成系统振荡、调节时间延长等不利结果。
为了消除积分饱和带来的不利影响,可以使用防积分饱和PI调节器,如图3-5所示
3.3单极性可逆PWM系统DSP控制方法和编程例子
下图3-6为直流电动机全数字双闭环控制的框图"全部控制模块都是通过软件来实现的。
由上图3-6的控制原理
4O7ADSP实现直流电动机调速的控制和驱动。
用DSP实现直流电动机速度控制的软件由三部分组成:
初始化程序、主程序、中断子程序其中主程序只进行电动机的转向判别,用来改变比较方式寄存器ACTRA的设置。
用户可以在主程序中添加其他应用程序.在每个PWM周期（50um）都进行一次电流P工调节,因此电流采样周期与PWM周期相同,以实现实时控制。
采用定时器1周期中断标志来启动A/D转换,转换结束后申请ADC中断。
下图3-7是ADC中断处理子程序框图"全部控制功能都通过中断处理子程序来完成。
由于速度时间常数较大,本程序设计每100个PWM周期（即sms）对速度进行一次Pl调节。
速度反馈量是按以下方法计算的:
在每个PWM周期都通过读编码器要求一次编码脉冲增量,并累计。
假设电动机的最高转速是3000r/min即50r/s"采用1024线的编码器,经DSP四倍频后每转发出4096个脉冲"所以在这个转速下,每秒发出50x4096=204800个脉冲"那么5ms发出的最大脉冲数为1024,或210。
令编码脉冲速度转换系数KSPEED=l/1024,其Q22格式为KSPEED=222/1024=212,即10O0H。
用编码器的脉冲累计值乘以KSPEED就可以得到的当前转速反馈量相对于最高转速的比例值n,当前转速反馈量等于3000Xn/222
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